科學家終於證明量子係統也存在（zài）“回歸”效應

據（jù）國（guó）外媒（méi）體報道，物（wù）理學中有這樣一種驚人的現象：如果對一個複雜係統放任不管，該係統總能以近乎完美的精（jīng）確度回（huí）歸初始狀態。例如，容器中的氣體分子雖然會四處運動，但在一定時間之（zhī）後，總能回到原處，和開始時幾乎一模一樣（yàng）。該理論名為“龐加萊回歸定理”，是現代混沌（dùn）理論的基礎。數十（shí）年來，科學家一直在研究如何將該理論應用於量子物理。而維也納大學的研究人員近日成功在一套多粒子量子係統中證實了一種“龐加萊回歸”現象。研究結果已在《科學》期（qī）刊上發表。

圖為用於控製超低溫原子雲的原子芯片

舊題重審

19世紀末，法（fǎ）國科學家亨利·龐加（jiā）萊（Henri Poincaré）曾對無法進行精確分析的係統展開研究。例如包含（hán）眾多行星和小行星的（de）太陽（yáng）係，或者不（bú）斷相撞的氣體分子等。結果（guǒ）他（tā）吃驚地發現，隻要某種狀態在物理上可能存在，這些係統總能在某一時刻達到這（zhè）些狀態，或至少十分接近這些狀態。隻（zhī）要我們等得夠（gòu）久，所有行星總能碰巧（qiǎo）排成一條直線（xiàn），容器中的氣體分（fèn）子也總能形成有趣（qù）的排列（liè）規律，或（huò）者回歸實驗的初始狀態。

量子（zǐ）係統也存在類似理論，但規則全（quán）然不同（tóng）。“針對量子物理，我們必（bì）須提（tí）出一種全新的解決方法。”維也納大學原子與亞原子物理研究所的約格·施密德梅（méi）爾教授（Professor J?rg Schmiedmayer）表示，“由於一些基（jī）礎（chǔ）原因（yīn），由眾多粒子構成的大型量子係（xì）統的狀態（tài）永遠（yuǎn）無法得（dé）到（dào）精確測量。不僅如此，我們還不能將這些粒（lì）子視作各自獨立的物體（tǐ），而要將量子糾纏考慮在內（nèi）。”

科學家曾屢次嚐試在量子係統中演示“龐加萊回（huí）歸”效應。但到目前為止，隻有當粒子數（shù）量很少時才能取得成功，因為唯（wéi）有如此才能對其狀態進行精確測量。這一過程（chéng）極為複（fù）雜（zá），且隨著粒子數量增加，係統回歸初始狀態所需的時間也會大大延長。不過，施密德梅（méi）爾的團隊采用了另一種策略：“我們對（duì）係統內部的整體狀態不感興趣，反正不可能進（jìn）行測量。”論（lùn）文的第一作者伯恩納德·勞爾（Bernhard Rauer）指出，“相反，我們想問的是：哪（nǎ）些物理量是我們能夠觀察、並且能幫（bāng）助我們（men）了解係統的整體狀態的？這些物（wù）理量是否會（huì）在某一時刻回歸初始值？”

該（gāi）團隊研究了一種包含數千個原子（zǐ）的超低溫氣體，用芯片上的（de）電（diàn）磁場使其（qí）固（gù）定不動。“有幾種物理（lǐ）量可以描（miáo）述該量子氣體的特征，比如氣體的相幹長度、以及空（kōng）間中不同位置之間的相關函數等。借助這些（xiē）參數，我們便可得知這些粒子在量子力學（xué）效應下相（xiàng）互聯結的緊密程度。”負（fù）責該項目理論計算的塞巴斯蒂安·厄尼（Sebastian Erne）解釋（shì）道，“我們不能（néng）用直覺處理這些整體性物理量，但對量（liàng）子係統而言，這是不可或缺（quē）的。”

整體性物理量（liàng）存在回歸效應

這些物理量描（miáo）述的並不是單個粒子，而是（shì）係統整體。通過測量這些物理量，研究人員終於觀測（cè）到了望眼欲穿的回歸現象。不（bú）僅如此（cǐ），“借助原子芯片，我們還能影響係統回歸到某一特定狀態的時間。”施密德梅爾（ěr）表示，“通過測量此類回歸效（xiào）應，我們（men）得以充（chōng）分了解原子的整體動態，如聲音在這些氣體中的傳播速度和密度波的散射現象等。”

量子係統是否（fǒu）存在回歸效應？這個問題由來已久，如今終於有了肯定回答。但“回歸”的概念定義或許要稍作修（xiū）改。既然我們無法測量係（xì）統內部的完整量子（zǐ）狀態，不妨將注意力放在能夠通過量子實（shí）驗進行測量的物理量上。這些物理量（liàng）能夠為我們所觀察，既能偏離初始值，最終（zhōng）還能回歸初始狀（zhuàng）態。